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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fertigungsvorrichtung zur Herstellung einer aus einer Mehrzahl von elektrischen Leitern gebildeten Wicklung einer elektrischen Maschine, umfassend einen ersten versetzbaren Formbacken mit ersten Formnuten, welche die elektrischen Leiter umgreifen können, sowie einem dem ersten Formbacken gegenüberliegenden zweiten versetzbaren Formbacken mit zweiten Formnuten, welche die elektrischen Leiter umgreifen können, und einem zwischen dem ersten Formbacken und dem zweiten Formbacken positionierten Wickelschwert, um welches die elektrischen Leiter der Wicklung herum gewickelt werden, wobei in den ersten Formnuten jeweils ein Auswerfer angeordnet ist, welcher einen in einer ersten Formnut aufgenommenen elektrischen Leiter aus der Formnut herausdrücken kann, und in den zweiten Formnuten jeweils ein Auswerfer angeordnet ist, welcher einen in einer zweiten Formnut aufgenommenen elektrischen Leiter aus der Formnut herausdrücken kann. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Wicklung.
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Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
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Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 63. Jahrgang, 05/20 6, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der konzentrisch zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen bezeichnet.
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Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.
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Für die Entwicklung von elektrischen Maschinen, insbesondere von elektrischen Maschinen für die oben erwähnten hybrid oder vollelektrisch betreibbaren Kraftfahrzeuge oder auch für Radnabenantriebe, sind grundsätzlich verschiedene Wicklungstechnologien für einen Stator einer elektrischen Maschine bekannt.
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Bei elektrischen Maschinen, die einen Stator mit einem hohlzylindrischen Stator aufweisen, also als Innenläufermaschine ausgebildet sind, und die für eine Anwendung als Traktionsantrieb eines Kraftfahrzeugs konfiguriert sind, weisen oftmals eine Statorwicklung mit einem rechteckigen Querschnitt auf, um den eine hohe Leistungsdichte zu erreichen. Bei elektrischen Maschinen, welche für den Antrieb von Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, werden die Statorwicklungen daher typischerweise als Wellenwicklungen ausgebildet.
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Der Aufbau eines Stators mit einer Wellenwicklung ist eine Statorbauform, bei der zur Bildung der phasenspezifischen Wicklungen Wicklungsmatten zum Einsatz kommen. Zur Bildung der verteilten Wicklungen werden die einzelnen Wicklungsdrähte oder Teilmatten bspw. durch einen Wickel- oder Schichtprozess ineinandergeflochten und in die Statornuten eingefügt
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Zur Herstellung derartiger Wellenwicklungen werden die elektrischen Leiter der Wellenwicklung in der Regel mit Hilfe von zwei Formbacken auf einem Wickelschwert fixiert und hierdurch auch gleichzeitig der Biegepunkt für das Herstellen des Wickelkopfes festgelegt. Beim Wickelprozess heben immer im Wechsel diese Formbacken dann vom Wickelschwert ab um eine neue Lage von elektrischen Leitern zu Wickeln. Bei diesem Vorgang werden über den Auswerfer des Formbackens die elektrischen Leiter aus den Nuten abgestreift. Der Formbacken kann nun die nächste Lage an elektrischen Leitern fixieren.
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Beim Abheben eines der beiden Formbacken vom Wickelschwert, bleiben die einzelnen elektrischen Leiter zum Teil aber in den Formnuten der Formbacken hängen, wodurch die entsprechende Wickelmatte der Wellenwicklung danach unbrauchbar wird. Da der Auswerfer an den Formbacken üblicherweise gefedert und durch eine Druckfeder vorgespannt ist, wird zudem immer das Wickelschwert von dem noch an dem Wickelschwert anliegenden Formbacken weggedrückt.
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Es ist daher die Aufgabe der der Erfindung eine verbesserte Fertigungsvorrichtung zur Herstellung einer aus einer Mehrzahl von elektrischen Leitern gebildeten Wicklung einer elektrischen Maschine bereitzustellen. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung ein optimiertes Verfahren zur Herstellung einer aus einer Mehrzahl von elektrischen Leitern gebildeten Wicklung einer elektrischen Maschine zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Fertigungsvorrichtung zur Herstellung einer aus einer Mehrzahl von elektrischen Leitern gebildeten Wicklung einer elektrischen Maschine, umfassend einen ersten versetzbaren Formbacken mit ersten Formnuten, welche die elektrischen Leiter umgreifen können, sowie einem dem ersten Formbacken gegenüberliegenden zweiten versetzbaren Formbacken mit zweiten Formnuten, welche die elektrischen Leiter umgreifen können, und einem zwischen dem ersten Formbacken und dem zweiten Formbacken positionierten Wickelschwert, um welches die elektrischen Leiter der Wicklung herum gewickelt werden, wobei in den ersten Formnuten jeweils ein Auswerfer angeordnet ist, welcher einen in einer ersten Formnut aufgenommenen elektrischen Leiter aus der Formnut herausdrücken kann, und in den zweiten Formnuten jeweils ein Auswerfer angeordnet ist, welcher einen in einer zweiten Formnut aufgenommenen elektrischen Leiter aus der Formnut herausdrücken kann, wobei die Auswerfer der ersten Formnuten mittels eines elektrischen und/oder hydraulischen und/oder pneumatischen ersten Aktors aktuierbar sind.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die ersten Auswerfer über einen ersten Aktor, beispielsweise einen pneumatischen Zylinder, gesteuert werden können. Hierdurch können zu jedem Zeitpunkt des Wickelprozesses die Auswerfer sowohl aktiv zugestellt als auch weggenommen werden. Somit kann beispielsweise der Auswerfer des am Wickelschwert anliegenden Formbacken weggenommen werden, wodurch verhindert werden kann, dass sich das Wickelschwert verbiegt und auch die elektrischen Leiter weiterhin in den Formnuten des Formbackens zentriert werden. Während beide Formbacken am Wickelschwert anliegen, können die Auswerfer der Formbacken beispielsweise auch als Niederhalter für die elektrischen Leiter benutzt werden, welche dann die elektrischen Leiter aktiv gegen das Wickelschwert drücken.
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Durch den steuerbaren Aktor ist es möglich die Kräfte auf den bzw. die entsprechenden Auswerfer aktiv zu steuern. Hierdurch lässt sich realisieren, dass an dem am Wickelschwert anliegenden Formbacken die Auswerfer nicht betätigt sind, und dies solange, bis der gegenüberliegende Formbacken ebenfalls wieder am Wickelschwert anliegt, so dass eine ungewünschte Verformung des Wickelschwerts durch die Auswerfer verhindert werden kann.
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Bevorzugt ist die mit der Fertigungsvorrichtung hergestellte Wicklung eine Wellenwicklung. In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls bevorzugt, dass die elektrische Leiter der Wicklung einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Auswerfer der zweiten Formnuten mittels eines elektrischen und/oder hydraulischen und/oder pneumatischen zweiten Aktors aktuierbar sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass hierdurch der Wickelprozess noch genauer steuerbar und die Qualität der erzeugten Wicklung noch weiter verbessert werden kann.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der erste Aktor und/oder der zweite Aktor jeweils einen Zylinder mit einem linearverschieblichen Kolben aufweist, wobei der Kolben mit einem der Auswerfer, gekoppelt ist. Es kann hierdurch eine besonders betriebssichere wie auch konstruktiv einfache und somit kostengünstige Ausführungsform eines Aktors bereitgestellt werden.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der erste Formbacken zweiteilig ausgeführt ist, so dass ein erster Backenteil des ersten Formbackens in Längserstreckung der um das Wickelschwert gewickelten elektrischen Leiter versetzt zu einem zweiten Backenteil des ersten Formbackens angeordnet ist, wobei der erste Backenteil des ersten Formbackens einen von einem Aktor aktuierbaren Auswerfer für die ersten Formnuten aufweist und/oder der zweite Backenteil des ersten Formbackens einen von einem Aktor aktuierbaren Auswerfer für die ersten Formnuten aufweist, und/oder der zweite Formbacken zweiteilig ausgeführt ist, so dass ein erster Backenteil des zweiten Formbackens in Längserstreckung der um das Wickelschwert gewickelten elektrischen Leiter versetzt zu einem zweiten Backenteil des zweiten Formbackens angeordnet ist, wobei der erste Backenteil des zweiten Formbackens einen von einem Aktor aktuierbaren Auswerfer für die zweiten Formnuten aufweist und/oder der zweite Backenteil des zweiten Formbackens einen von einem Aktor aktuierbaren Auswerfer für die zweiten Formnuten aufweist. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass durch die beabstandeten Backenteile auch die von den Formnuten definierten Haltepunkte für die elektrischen Leiter auf zwei beabstandete Bereiche beschränkt werden können, was die Gefahr von ungewollten Verformungen der elektrischen Leiter während des Wickelprozesses reduziert.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der erste Backenteil des ersten Formbackens und der zweite Backenteil des ersten Formbackens linear in Längserstreckung der um das Wickelschwert gewickelten elektrischen Leiter aufeinander zu versetzbar sind, und/oder der erste Backenteil des zweiten Formbackens und der zweite Backenteil des zweiten Formbackens linear in Längserstreckung der um das Wickelschwert gewickelten elektrischen Leiter aufeinander zu versetzbar sind. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass die Anlagebereiche der entsprechenden Formnuten an den elektrischen Leitern noch genauer gesteuert und positioniert werden können, was ebenfalls zu einer optimierten Wickelprozesskontrolle und gesteigerten Qualität der Wicklung beitragen kann.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der erste Backenteil des ersten Formbackens und/oder der zweite Backenteil des ersten Formbackens linear in Längserstreckung der um das Wickelschwert gewickelten elektrischen Leiter mittels eines elektrischen und/oder hydraulischen und/oder pneumatischen dritten Aktors versetzbar ist, und/oder der erste Backenteil des zweiten Formbackens und der zweite Backenteil des zweiten Formbackens linear in Längserstreckung der um das Wickelschwert gewickelten elektrischen Leiter mittels eines elektrischen und/oder hydraulischen und/oder pneumatischen vierten Aktors versetzbar ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass beispielsweise der Biegepunkt für den Wickelkopf der Wicklung fremdkraftbewirkt einstellbar ist. Der Biegepunkt kann hierdurch, beispielsweise über einen pneumatischen Zylinder gesteuert werden, wodurch der Biegepunkt universell einstellbar ist.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der dritte Aktor einen Zylinder mit einem linearverschieblichen Kolben aufweist, wobei der Kolben mit einem der Backenteile, gekoppelt ist, während sich der Zylinder an dem anderen der Backenteile, abstützt und/oder der vierte Aktor einen Zylinder mit einem linearverschieblichen Kolben aufweist, wobei der Kolben mit einem der Backenteile, gekoppelt ist, während sich der Zylinder an dem anderen der Backenteile, abstützt. Hierdurch kann eine betriebssichere und kostengünstige Ausführung eines Aktors erreicht werden.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der erste Formbacken und der zweite Formbacken im Wesentlichen gleichteilig ausgeführt sind, was durch einen hohen Grad an Gleichteiligkeit auch einen positiven Einfluss auf die Fertigungskosten der Formbacken haben kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer aus einer Mehrzahl von elektrischen Leitern gebildeten Wicklung einer elektrischen Maschine, umfassend die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellung einer Fertigungsvorrichtung umfassend
- • einen ersten versetzbaren Formbacken mit ersten Formnuten, welche die elektrischen Leiter umgreifen können, sowie einem dem ersten Formbacken gegenüberliegenden zweiten versetzbaren Formbacken mit zweiten Formnuten, welche die elektrischen Leiter umgreifen können, und
- • einem zwischen dem ersten Formbacken und dem zweiten Formbacken positionierten Wickelschwert, um welches die elektrischen Leiter der Wicklung herum gewickelt werden,
- • wobei in den ersten Formnuten jeweils ein Auswerfer angeordnet ist, welcher einen in einer ersten Formnut aufgenommenen elektrischen Leiter aus der Formnut herausdrücken kann, und
- • in den zweiten Formnuten jeweils ein Auswerfer angeordnet ist, welcher einen in einer zweiten Formnut aufgenommenen elektrischen Leiter aus der Formnut herausdrücken kann,
- • wobei die Auswerfer der ersten Formnuten mittels eines elektrischen und/oder hydraulischen und/oder pneumatischen ersten Aktors aktuierbar sind,
- b) Anordnung der elektrischen Leiter der Wicklung auf einer ersten Oberfläche des Wickelschwerts,
- c) Versetzen des ersten Formbackens in Richtung der ersten Oberfläche des Wickelschwerts, so dass die elektrischen Leiter in den ersten Formnuten des ersten Formbackens aufgenommen und gegenüber der ersten Oberfläche des Wickelschwerts lagefixiert sind,
- d) Drehen des Wickelschwerts, so dass die aus der ersten Oberfläche hervorstehenden elektrischen Leiter an einer Biegekante des Wickelschwerts umgebogen und auf eine zweite Oberfläche des Wickelschwerts hin geführt werden,
- e) Versetzen des zweiten Formbackens in Richtung der zweiten Oberfläche des Wickelschwerts, so dass die elektrischen Leiter in den zweiten Formnuten des zweiten Formbackens aufgenommen und gegenüber der zweiten Oberfläche des Wickelschwerts lagefixiert sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 eine Fertigungsanordnung in einer perspektivischen Darstellung,
- 2 einen ersten Formbacken in einer perspektivischen Ansicht,
- 3 einen ersten Formbacken in einer perspektivischen Querschnittsdarstellung,
- 4 eine Detailansicht der Formnuten des erste Formbackens in einer perspektivischen Darstellung.
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Die 1 zeigt eine Fertigungsvorrichtung 1 zur Herstellung einer aus einer Mehrzahl von elektrischen Leitern 2 gebildeten Wicklung 3 einer elektrischen Maschine. Die Fertigungsvorrichtung 1 besitzt einen ersten versetzbaren Formbacken 5 mit ersten Formnuten 6, welche die elektrischen Leiter 2 umgreifen können, sowie einen dem ersten Formbacken 5 gegenüberliegenden zweiten versetzbaren Formbacken 7 mit zweiten Formnuten 8, welche ebenfalls die elektrischen Leiter 2 umgreifen können. In der gezeigten Ausführungsform sind ist der erste Formbacken 5 und der zweite Formbacken 7 im Wesentlichen gleichteilig ausgeführt.
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Zwischen dem ersten Formbacken 5 und dem zweiten Formbacken 7 ist ein Wickelschwert 9 positioniert, um welches die elektrischen Leiter 2 der Wicklung 3 herum gewickelt werden.
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In den ersten Formnuten 6 ist jeweils ein Auswerfer 10 angeordnet, welcher einen in einer ersten Formnut 6 aufgenommenen elektrischen Leiter 2 aus der Formnut 6 herausdrücken kann, was sich gut anhand der 4 nachvollziehen lässt.
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Auch in den zweiten Formnuten 8 ist jeweils ein Auswerfer 11 angeordnet, welcher einen in einer zweiten Formnut 8 aufgenommenen elektrischen Leiter 2 aus der Formnut 6 herausdrücken kann.
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Die Auswerfer 10 der ersten Formnuten 6 sind mittels eines pneumatischen ersten Aktors 12 und die Auswerfer 11 der zweiten Formnuten 8 mittels eines pneumatischen zweiten Aktors 22 aktuierbar. Der erste Aktor 12 und der zweite Aktor 22 besitzen hierzu jeweils einen Zylinder 13 mit einem linearverschieblichen Kolben 14, wobei der Kolben 14 mit einem der Auswerfer 10,11 gekoppelt ist.
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Wie in den 1-3 dargestellt, ist der erste Formbacken 5 zweiteilig ausgeführt, so dass ein erster Backenteil 15 des ersten Formbackens 5 in Längserstreckung der um das Wickelschwert 9 gewickelten elektrischen Leiter 2 versetzt zu einem zweiten Backenteil 16 des ersten Formbackens 5 angeordnet ist, wobei der erste Backenteil 15 des ersten Formbackens 5 einen von einem Aktor 12 aktuierbaren Auswerfer 10 für die ersten Formnuten 6 aufweist und der zweite Backenteil 16 des ersten Formbackens 5 einen von einem Aktor 12 aktuierbaren Auswerfer 10 für die ersten Formnuten 6 besitzt.
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Auch der zweite Formbacken 7 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 zweiteilig ausgeführt, so dass ein erster Backenteil 17 des zweiten Formbackens 7 in Längserstreckung der um das Wickelschwert 9 gewickelten elektrischen Leiter 2 versetzt zu einem zweiten Backenteil 18 des zweiten Formbackens 7 angeordnet ist, wobei der erste Backenteil 17 des zweiten Formbackens 7 einen von einem Aktor 22 aktuierbaren Auswerfer 11 für die zweiten Formnuten 8 aufweist und der zweite Backenteil 18 des zweiten Formbackens 7 einen von einem Aktor 22 aktuierbaren Auswerfer 11 für die zweiten Formnuten 8 aufweist.
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Der erste Backenteil 15 des ersten Formbackens 5 und der zweite Backenteil 16 des ersten Formbackens 5 sind linear in Längserstreckung der um das Wickelschwert 9 gewickelten elektrischen Leiter 2 aufeinander zu versetzbar. Auch der erste Backenteil 17 des zweiten Formbackens 7 und der zweite Backenteil 18 des zweiten Formbackens 7 sind linear in Längserstreckung der um das Wickelschwert 9 gewickelten elektrischen Leiter 2 aufeinander zu versetzbar.
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Der erste Backenteil 15 des ersten Formbackens 5 und/oder der zweite Backenteil 16 des ersten Formbackens 5 sind linear in Längserstreckung der um das Wickelschwert 9 gewickelten elektrischen Leiter 2 mittels eines pneumatischen dritten Aktors 23 versetzbar. Auch der erste Backenteil 17 des zweiten Formbackens 7 und der zweite Backenteil 18 des zweiten Formbackens 7 sind linear in Längserstreckung der um das Wickelschwert 9 gewickelten elektrischen Leiter 2 mittels eines pneumatischen vierten Aktors 24 versetzbar.
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Der dritte Aktor 23 weist einen Zylinder 19 mit einem linearverschieblichen Kolben 20 auf, wobei der Kolben 20 mit einem der Backenteile 15,16 gekoppelt ist, während sich der Zylinder 19 an dem anderen der Backenteile 15,16 abstützt.
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Analog hierzu verfügt der vierte Aktor 24 über einen Zylinder 19 mit einem linearverschieblichen Kolben 20, wobei der Kolben 20 mit einem der Backenteile 17,18 gekoppelt ist, während sich der Zylinder 19 an dem anderen der Backenteile 17,18 abstützt.
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Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung einer aus einer Mehrzahl von elektrischen Leitern 2 gebildeten Wicklung 3 einer elektrischen Maschine näher erläutert. Zunächst erfolgt die Bereitstellung einer Fertigungsvorrichtung 1 wie sie aus den 1-4 bekannt ist. Dann erfolgt die Anordnung der elektrischen Leiter 2 der Wicklung 3 auf einer ersten Oberfläche 21 des Wickelschwerts 9. Hiernach wird der erste Formbacken 5 in Richtung der ersten Oberfläche 21 des Wickelschwerts 9 vesetzt, so dass die elektrischen Leiter 2 in den ersten Formnuten 6 des ersten Formbackens 5 aufgenommen und gegenüber der ersten Oberfläche 21 des Wickelschwerts 9 lagefixiert sind.
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Hiernach erfolgt ein Drehen des Wickelschwerts 9, so dass die aus der ersten Oberfläche 21 hervorstehenden elektrischen Leiter 2 an einer Biegekante 26 des Wickelschwerts 9 umgebogen und auf eine zweite Oberfläche 25 des Wickelschwerts 9 hin geführt werden.
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Dann wird der zweite Formbacken 7 in Richtung der zweiten Oberfläche 25 des Wickelschwerts 9 versetzt, so dass die elektrischen Leiter 2 in den zweiten Formnuten 8 des zweiten Formbackens 7 aufgenommen und gegenüber der zweiten Oberfläche 25 des Wickelschwerts 9 lagefixiert sind.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fertigungsvorrichtung
- 2
- elektrische Leiter
- 3
- Wicklung
- 5
- Formbacken
- 6
- Formnuten
- 7
- Formbacken
- 8
- Formnuten
- 9
- Wickelschwert
- 10
- Auswerfer
- 11
- Auswerfer
- 12
- Aktor
- 13
- Zylinder
- 14
- Kolben
- 15
- Backenteil
- 16
- Backenteil
- 17
- Backenteil
- 18
- Backenteil
- 19
- Zylinder
- 20
- Kolben
- 21
- Oberfläche
- 22
- Aktor
- 23
- Aktor
- 24
- Aktor
- 25
- Oberfläche
- 26
- Biegekante
